DE3405774A1

DE3405774A1 - Vorrichtung zum gemeinsamen steuern eines fluidstromes und messen eines dem fluidstrom und einer zweiten groesse proportionalen wertes

Info

Publication number: DE3405774A1
Application number: DE19843405774
Authority: DE
Inventors: Heinz Buchs Lampert; Bruno Winterthur Scheiwiller
Original assignee: MPE PRODUKT PLAN AG
Current assignee: MPE PRODUKT PLAN AG
Priority date: 1984-02-17
Filing date: 1984-02-17
Publication date: 1985-08-22
Also published as: JPS60246411A

Description

Vorrichtung zum gemeinsamen Steuern eines Fluidstromes und Messen eines dem Fluidstrom und einer zweiten Größe proportionalen Wertes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gemeinsamen Steuern eines Fluidstromes und Messen eines dem Fluidstrom und einer zweiten physikalischen Größe proportionalen Wertes, insbesondere zum Messen von Energie- und Wärmemengen, wie bei einem Heizkörper einer Heizanlage zur Heizkostenabrechnung, mit einem Volumenstromregler und einem von einer externen physikalischen Größe gesteuerten Ventileinheit zum Sperren und Durchlassen des Fluidstromes sowie einer Elektronikeinheit, insbesondere zur Durchführung und zum Auswerten von Energiemengenmessungen.

Eine derartige Vorrichtung ist in der EP-OS 0018 566 (Anmeldenummer 80 102 118.9) beschrieben. Die bekannte Vorrichtung löst zwar erstmals die Aufgabe des Steuerns des Fluidstroms und gleichzeitigem Messen der Abgabe von Wärme- bzw. Energie, ist aber noch zu ungenau und aufwendig, insbesondere in fertigungstechnischer Hinsicht und installationsmäßiger Hinsicht, sowie nicht zuverlässig im Betrieb. Vor allem aber ist sie in der

Praxis, in schmutzigem Heizwaser, nicht genügend lange funktionsfähig. Überdies erfordert sie hohe Pumpendrücke und neigt zu unzulässigen Strömungsgeräuschen und zu Rattern. Diese bisherigen schweren Nachteile hängen eng mit dem Vorhandensein gleitender Regelteile, welche im Fluidstrom verschmutzen und klemmen können, zusammen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung zu schaffen, die in der Praxis besser funktioniert, die vor allem schmutzunempfindlich, langzeitstäbil, genau und zuverlässig ist.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Volumenstromregler als mehrstufiger Membranregler mit mindestens einer Regel- und einer Kompensationsstufe, welche je eine Membran aufweisen, ausgebildet ist, wobei der Volumenstromregler und die Ventileinheit hintereinander in einem gemeinsamen Durchflußgehäuse für den Fluidstrom angeordnet sind. Erfindungsgemäß werden zunächst im Fluidstrom keine gleitenden Regelteile verwendet. Durch die Erfindung wird eine kompakte in einem gemein samen Gehäuse unterbringbare Vorrichtung geschaffen, die in integrierter Weise sowohl das Messen von Energiemengen und Volumengrößen und andererseits die Regelung oder Steuerung der Führungsgröße im Hinblick auf einen bestimmten Sollwert ermöglicht. Die Vorrichtung steuert und erfaßt mit einfacher Mechanik und Elektronik die Energiemenge, die durch einen individuellen Verbraucher abgegeben wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kannfür verschiedene Anwendungsgebiete eingesetzt werden, so ist der Einsatz nicht auf die Anwendung bei der Heizkostenabrechnung bzw. -verteilung beschränkt. Die Vorrichtung kann ,vielmehr beispielsweise auch zum Dosieren, bei geeichten Energiemessungen, Vergleichseinheitsmessungen, als Steuerstellgliedteil in der Heizungstechnik usw. eingesetzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß im gemeinsamen Durchflußgehäuse den Ventilen unmittelbar ein Strömungsmelder zur Abgabe eines den Strömungszustand anzeigenden Signals an die Elektronikeinheit zugeordnet ist. Auch diese Ausgestaltung eines Strömungsmelders unterstützt das mit der Aufgabe angegebene Ziel. Der Strömungsmelder meldet an die Elektronikeinheit ob ein Durchfluß stattfindet oder nicht, da nur in Zeiten des Durchflusses beispielsweise die unterschiedliche Temperatur in einem Vorlauf und einem Rücklauf zu einem Heizkörper zur Berechnung der abgegebenen Wärem herangezogen wird. Zur Anpassung an einzelne, unterschiedliche Heizverbraucher, insbesondere Heizkörper, ist weiterhin vorgesehen, daß die vom Volumenstromregler durchgelassene Durchflußmenge einstellbar ist, wobei die eingestellte Durchflußmenge des Fluids in der Elektronikeinheit ggfls. in codierter Form bei der Durchführung der Energiemessung berücksichtigt wird, wobei die Berücksichtigung in verschiedener Weise erfolgen kann.

E ine Weiterbildung sieht vor, daß die Regelung des Fluidstromes und damit einer durch diesen mitgeführten Energie- bzw. Wärmemenge zur zumindest teilweisen Abgabe derselben in einem Heizkörper od.dgl. bei fest eingestellter, durch den Volumenstromregler bestimmter Durchflußmenge in geöffnetem Zustand der Ventileinheit über einem mit einem Steuerteil der Energieeinheit verbundenen einstellbaren Thermostaten durch Öffnen und Schließen der Ventileinheit erfolgt, wobei weiterhin die Führungsgröße bzw. der Sollwert des Thermostaten über die Zeit hin gemäß vorgegebener Werte automatisch veränderbar ist. Hierzu können beispielsweise verschiedene Ab I auf program me vorprogrammiert werden, die vom Benutzer angewählt werden, oder es kann vom Benutzer über einen in der Elektronikeinheit vorgesehene Mikroprozessor ein eigenes Ab I auf programm aus Teilprogramm zusammengestellt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt, da insbesondere zum Schalten der Ventileinheit im Hinblick auf das Sperren oder das Durchfließen des Fluides, aber auch zum Regeln der konstanten

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Durchflußmengen des Fluids die Eigenenergie des Fluids ausgenutzt wird und lediglich zusätzliche Energie zur Auslösung eines Stell impulses zum Umschalten der Ventileinheit notwendig ist, nur geringe Energie. Als mechanischer Stell impuls wird dieser normalerweise durch die Ausdehnung einer Thermostatpatrone geliefert. Als elektrischer Stell impuls kann diese geringe Energie grundsätzlich auch vom Stromnetz bezogen werden. Zur Vermeidung von erheblichen Installationskosten ist aber gemäß bevorzugter Ausgestaltung nur eine kleine Hilfsbatterie eingesetzt. Es ist aber auch möglich, zur Energieversorgung Solarzellen mit Energiespeichern oder aber Halbleiterthermoelemente (Peltier-Elemente) zur Umwandlung der im Fluidstrom gespeicherten Energie in elektrische Energie vorzusehen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Figur 1 eine Außenansicht einer konkreten

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 2 die Installation bzw. Anordnung einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Heizkörper;

Figur 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen

Vorrichtung;

Figur 4 eine schematische Darstellung der

erfindungsgemäßen Vorrichtung

Figur 5 ein Längsschnitt durch eine konkrete

Ausführungsform des Durchflußgehäuses einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

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Figur 6 die Darstellung eines Magnetsystems und

Figur 7 die Darstellung einer Schnappfedereinrichtung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer kompakten Einheit 101 mit einem Durchflußgehäuse 102, durch das der Fluidstrom fließt und in dem die mechanischen Teile, insbesondere Venti!elemente und elektromagnetischen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung untergebracht sind. Weiterhin weist die Einheit 101 einen Gehäuseteil 103 auf, in dem die Elektronik, die Anzeige sowie die Einstell- bzw. Vorgabeelemente untergebracht sind. Am Durchflußgehäuse 102 sind zwei Anschlüsse 104 für den Einlaß und den Auslaß (wobei nur der Auslaß in der Fig. 1 ersichtlich ist) vorgesehen, mittels derer die erfindungsgemäße Vorrichtung in der dargestellten Ausführungsform in die Vor I auf leitung 106 zum Heizkörper 107 einer Heizungsanlage genauso wie ein herkömmliches Ventil eingesetzt werden kann (Fig. 2). An der Einheit 101 ist eine Leitung 108 vorgesehen, an deren Ende ein elektrischer Temperaturfühler 109 beispielsweise in einer Schelle od.dgl. untergebracht ist, die an der Rücklauf leitung 111 vom Heizkörper 107 befestigbar ist. Im Gehäuse 102 ist ein weiterer Temperaturfühler untergebracht (nicht im einzelnen dargestellt) mittels dem unmittelbar die Vorlauftemperatur in der Leitung 106 zum Heizkörper 107 gemessen werden kann. Es können verschiedenartige Temperaturfühler eingesetzt werden, wie Widerstandsthermometer, Thermoelemente oder vorzugsweise elektronische Stromsensoren, die ein der absoluten Temperatur proportionales Stromsignal abgeben und welche in Serie geschaltet werden können, so daß

direkt ein der Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf (106, 111) proportionales Stromsignal entsteht. Gegebenenfalls kann mittels aktiver Thermoelemente (Peltier-Elemente) , möglicherweise unter Einsatz eines Pufferakumulators die Energie für die Elektronik der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus der (thermischen) Energie des zu messenden Fluidstromes in bekannter Weise gewonnen werden.

Das die Elektronik aufnehmende Gehäuseteil 103 weist eine Anzeige 112 auf, mittels der die im Heizkörper 107 verbrauchte bzw. von diesem abgegebene Energie, z.B. in Vergleichseinheiten, angezeigt und abgelesen werden kann. Weiterhin ist eine Einstelleinrichtung 113 eines Thermostates vorgesehen, mittels dessen die Raum-Solltemperatur oder aber der Ablauf der Solltemperatur über die Zeit hin eingestellt bzw. vorgewählt werden kann. In das Gehäuseteil 103 ist ein Raumtemperaturfühler 114 integriert, der die I st-Temperatur des Raumes mißt, die mit der momentanen Solltemperatur zur Regelung des Durchflusses durch das Durchflußgehäuse 102 zum Heizkörper 107 verglichen wird. Neben der in das Gehäuseteil integrierten Einstelleinrichtung 113 kann auch eine Fernsollwert-Einstellung 113¹ und/oder ein Fernfühler 114' vorgesehen sein, wie in der Figur 2 skizziert ist.

In der Figur 3 ist nun ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung 101 dargestellt. Im Vorlauf 106 zum Heizkörper 107 ist zunächst im gemeinsamen Durchflußgehäuse 102 für das Fluid im dargestellten Ausführungsbeispiel das Ventil 61 zum Sperren und Durchlassen des Fluidstromes angeordnet, wobei das Ventilsystem 61 ein Hauptventil 62 und ein Steuerteil 63 aufweist. Das Steuerteil 63 wird durch eine Regeleinrichtung 78 in Abhängigkeit von einem in diesem vorgenommenen Vergleich zwischen der aktuellen Führungsgröße oder dem aktuellen Sollwert, der über die Einstelleinrichtung 113 eingestellt ist, und dem Ist-Wert vom

Raumtemperaturfühler 114 geregelt. Anstelle von Einstelleinrichtung 113 und Raumtemperaturfühler 114 kann auch ein anderer Steuerimpuls, z.B. von einem Zeitprogramm eingegeben werden. Die Schaltung des Fluidstroms im einzelnen geschieht in der weiter unten erläuterten Weise. Im Ventilsystem 61 ist der Volumenstromregler 1 nachgeordnet, der nach Einstellung über eine einstellbare Drossel mittels einerRegelstufe 6 und einer nachgeschalteten Kompensationsstufe oder Kaskade 16 einen immer konstanten Mengen- oder Volumenstrom zum Auslaß 3 und damit zum Heizkörper durchläßt.

Im Durchflußgehäuse 102 ist weiterhin ein Strömungsmelder 58 vorgesehen, der feststellt, ob durch die Vorlauf leitung 106 ein durch den Volumenstromregler geregelter Fluidstrom stattfindet, oder aber der Fluidstrom durch das Venti!system 61 unterbrochen ist. Die vom Strömungsmelder 58 gemessene Information wird an die Elektronikeinheit 117 im Gehäuseteil 103 weitergegeben. Das gleiche gilt für die mit den Temper turf üh lern 109 und 118 gemessene Temperatur in der Rücklauf (111)- bzw. Vor I auf reitung (106) zum Heizkörper 107. Die derart gewonnenen Informationen werden dann unter Berücksichtigung der Drosseleinstellung, d.h. der gegebenen Durchflußmenge, beispielsweise in codierter Form in der Elektronikeinheit 117 verarbeitet. Das Ergebnis bzw. die Aufsummation der Messungen wird dann über die Anzeige 112 angezeigt. Insgesamt werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 101 also die Energiemengen erfaßt, die durch einen individuellen Verbraucher, hier den Heizkörper 107 abgegeben wird, wobei die abzugebende Energiemenge über den Regler 116 geregelt bzw. in vorgegebener Weise gesteuert wird.

Die im Durchflußgehäuse 102 gemeinsam untergebrachten mechanischen und elektromagnetischen Regeleinheiten sind in der Figur 4 zunächst schematisch dargestellt.

Die Ventileinheit 61 zum Sperren und Durchlassen je eines Flüssigkeitsstromes in einer Heizungsanlage weist ein Hauptventil 62 und ein Steuerteil 63 mit einem Steuerventil auf, welches in der Figur 4 nur im Prinzip dargestellt ist. Das Hauptventil 62 weist eine Membran 64 auf, die mit ihrem Umfangsrand in der Wand eines äußeren Gehäuses oder einem Einsatzteil (beides in Fig. 4 nicht dargestellt) festgelegt ist. Die Membran 64 ist lediglich in einem Ringbereich der Walkzone M (Fig. 5) elastisch und damit eigentlich als Membran ausgebildet und weist in ihrem Zentralbereich der Stützzone, einen starren, plattenförmigen Ventildeckel 71 auf. Dem Ventildeckel 71 ist auf der einem Einlaß 49 zugewandten Seite der Membran 64 ein ringförmiger Ventilsitz 72 zugeordnet bzw. liegt dieser Ventilsitz 72 dem Ventildeckel 71 gegenüber. Der Ventildeckel 71 wird durch eine ^ing- oder Spiralfeder 73 gegen den Ventilsitz 72 gedruckt. Wenn der Ventildeckel 71 auf dem Ventilsitz 72 aufliegt, ist das ^auptventil 62 geschlossen und es findet keine Fluidströmung von dem Einlaß 2 zu einem Auslaß 2¹ zum Volumenstomregler 1 hin statt.

Vom Einlaß 2 zu einem Raum 55 auf der dem Ventilsitz 72 abgewandten Seite der Membran 64 ist ein Bypass oder eine Nebenleitung oder -verbindung 52 geführt. In gleicher Weise führt von dem Raum 55 zum Auslaß 2¹ eine Nebenleitung 54. In der Nebenleitung 54, die konstruktiv als Durchlaß durch den Ventildeckel 71 ausgebildet sein kann (hierzu weiter unten), ist eine Blendenöffnung 65 angeordnet, der ein Filter 66 vorgeschaltet ist. Das in der Nebenleitung 54 befindliche Steuerteil 63 weist ein Ventil auf, mittels dessen die Nebenleitung 54 vom Raum 55 zum Auslaß 2' geöffnet oder gesperrt werden kann. Der injektorartige Anschluß 67 der Verbindungs- oder Nebenleitung 54 zum Auslaß 2¹ ist derart, daß bei einem Flüssigkeitsfluß vom Einlaß 2 durch das Hauptventil 62 zum Auslaß 2¹ in der Nebenleitung 54 befindliche Flüssigkeit nach dem Injektorprinzip mitgerissen wird und damit in der Leitung 54 und bei geöffnetem Steuerteil 63 im Raum 55 ein Unterdruck erzeugt wird.

Sei die Ventileinheit 61 und damit insbesondere das Hauptventil 62 nun geschlossen. Befindet sich vor dem Hauptventil 62 ein Druck P1¹ und am Auslaß 2' ein Druck P1, der geringer ist als der Dr uck PV. Bei diesem Schließzustand ist auch das Steuertet1.63 geschlossen. Der Druck P1" im Raum 55 hat sich daher über die Blendenöffnung 65 dem Druck P1¹ im Einlaß 2 angeglichen. Auf der dem Ventilsitz 72 abgewandten Seite der Membran 64 wirkt daher auf diese neben der Federkraft 73 der Druck P1¹ ■. Auf der dem Ventilsitz 72 zugewandten Seite der Membran 64 wirken auf entsprechende Teilflächen der Membran die Drücke PV und P1. Da P1 der niedrigste Druck der Ventileinheit 61 ist, sind die vom Raum 55 her wirkenden Kräfte auf die Membran 64 immer höher als die von der Seite des Ventilsitzes 72 herwirkenden, so daß das Ventil in diesem Fall geschlossen bleibt.

Wird nun durch einen StelIimpuls das Steuerteil 63 mit dem Steuerventil geöffnet, wobei das Steuerventil selbst und der Öffnungsvorgang weiter unten im einzelnen erläutert wird, so fällt der Druck P1" in der Kammer 55 ab und schließt mit möglichst geringem Druckgefälle an den Druck P1 am Auslaß 2' an. Aufgrund der Öffnung 65 mit geringerem Querschnitt als am Durchlass 76 (Fig. 5), kann die Kammer 55 nicht ausreichend schnell über die Neben leitung 52 her aufgefüllt werden, so daß sich eine Druckdifferenz zwischen dem Einlaß 2 mit dem Druck PV und der Kammer 55 mit dem Druck PV ' ergibt. Damit kann der Druck PV auch schon bei einer kleinen Druckdifferenz PV - PV ' den Ventildeckel 71 vom Ventilsitz 72 abstoßen und damit das Hauptventil 62 öffnen. Durch den injektorartigen Anschluß der Nebenleitung 54 an den Auslaß 2¹ kann im übrigen erreicht werden, daß der Druck P1" im Raum 55 kleiner als der Druck P1 am Ausaß 2' ist, so daß auch nach Öffnen des Hauptventils 62 dieses zuverlässig offen bleibt bzw. offen gehalten wird. Zum Schließen des Venti!systems 61 und damit des Unterbrechens eines Flüssigkeitsstromes vom Einlaß 2 zum Auslaß 2'

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wird durch einen Impuls das Steuerventil des Steuerteils 63 geschlossen. Es tritt in der Kammer 55 damit ein Staudruck durch die zunächst vorhandene Druckdifferenz zwischen dem Einlaß 2 mit dem Druck PV und dem geringeren Druck P1¹ ' in der Kammer 55 auf, so daß sich über die Öffnung 65 mit der Zeit der Druck P1" in der Kammer 55 dem Druck P1' annähert, bis die Kräfte des Drucks P1" in der Kammer 55 und der Feder 73 die entgegengesetzt wirkenden Kräfte der Drücke PV am Einlaß 2 und P 1 am Auslaß 2 auf die Membran 64 überwiegen und damit das Hauptventil geschlossen wird, wie schon oben erwähnt. Die Feder 73 bedingt schon eine Differenzkraft, auch dann, wenn keine Strömung vorhanden ist. Darüberhinaus wird durch die Feder 73 ein Schwingen der Membran 64 unterbunden.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist im Venti!system 61 zum Sperren bzw. Durchlassen des Fluidstromes der Strömungsmelder als berührungs loser oder Näherungsschalter untergebracht, mit dem festgestellt wird, ob überhaupt ein Fluidfluß stattfindet oder nicht. Hierzu ist bei der dargestellten Ausführungsform oberhalb der Venti!membran 64 ein sogenannter Reed-Schalter 56 angeordnet. Im Zentrum der Membran64 bzw. dieses Membrandeckels ist ein Dauermagnet 57 eingesetzt, der aufgrund der Veränderung seines Abstandes zum Reed-Schalter 56 mit der Bewegung der Membran 64 den Reed-Schalter 56 schaltet. Der Auslaß2' des Ventilsystems 61 führt als Einlaß 2¹ zum Volumenstromregler 1 mit seiner Regelstufe 6 und einer Kompensationsstufe oder Kaskade 16. Bei geöffnetem Ventilsystem 61 soll dabei vom Einlaß 2 bzw. Einlaß 2¹ des Volumenstromreglers 1 zum Auslaß 3 unabhängig von der Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß ein konstanter Durchfluß stattfindet!. Der Einlaß 2' führt zur einen Seite der Membran 4 des als Regelstufe 6 bezeichneten Membranventils. Die Membran 4 wird damit auf der dem Einlaß zugewandten Seite mit dem dort herrschenden Druck P1 beaufschlagt.

Eine Zweigleitung 7 führt über eine einstellbare Drossel 8, die den Druck P1 auf einen Druck P2 reduziert, zu der anderen Seite der Membran 4 der Regelstufe 6.

Die Regelstufe 6 weist zunächst eine im wesentlichen flache Membran 4 auf, die mit ihrem Umfangsrand in der Wand einer in ein äußeres Gehäuse (hier nicht dargestellt) einsetzbaren Patrone 9 festgelegt ist. Die Membran 4 ist lediglich in einem Ringbereich elastisch und damit eigentlich als Membran ausgebildet, weist in einem Zentralbereich einen starren, palttenförmigen Ventildeckel 11 auf. Dem Ventildeckel 11 ist auf der dem Einlaß 2' abgewandten Seite der Membran 4 ein ringförmiger Ventilsitz zugeordnet bzw. liegt dem Ventildeckel 11 gegenüber. Der Ventilsitz 12 ist fest mit der Patrone 9 verbunden. Der Ventilsitz 12 umschließt nur eine geringe Fläche der gesamten von der Patrone umgebenden Fläche. Der Ventildeckel 11 wird durch eine am Ventilsitz 12 gegengelagerte ' Feder 13 vom Ventilsitz 12 fortgedrückt. Der variable Durchlaß zwischen Ventildeckel 11 und Ventilsitz 12 wirkt als veränderliche Drossel, so daß innerhalb des vom Ventilsitz 12 umschlossenen Raumes ein im allgemeinen gegenüber dem Druck P2 geringerer Druck P3 herrscht. Auf die dem Zufluß abgewandten Seite der Membran herrschen also durch die Drücke P2 und P3 sowie die ihnen zugeordneten Flächen bestimmte Kräfte. Der Regelstufe 6 ist ein weiteres als Kaskade 16 bezeichnetes Membranventil in Reihe nachgeordnet. Es sei hier darauf hingewiesen, daß, wenn auch in der skizzenhaften Darstellung der Figur 4 die Kaskade ebenso wie die Regelstufe 6 dargestellt ist, ihre Abmessungen im Regelfall durchaus von denen der Regelstufe 6 abweichen können. Die Kaskade weist ebenso wie die Regelstufe 6 eine Membran 14 mit einem Membrandeckel 21 auf, dem ein Ventilsitz 22 zugeordnet wird, von dem der Membrandeckel 21 durch eine Feder 23 bei entsprechenden Druckverhältnissen fortgedrückt wird. Der der Feder 23 und dem Ventilsitz 22 abgewandte Raum

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des Ventils 16 ist direkt mit dem Raum auf der ihrer Feder 12 und ihrem Ventilsitz zugewandten Seite der Membran 4 verbunden, in dem der Dr uck P2 herrscht, so daß in dem erwähnten Raum der Kaskade 16 ebenfalls der Druck P2 herrscht. Von der Innenseite des im Querschnitt ringförmigen Ventilsitzes 12 führt eine Verbindung 17 zu dem den Ventilsitz 22 der Kaskade 16 umgebenden Raum auf der dem Ventilsitz 22 zugewandten Seite der Membran 14, so daß in diesem Außenraum der gleiche Druck wie innerhalb des Ventilsitzes 12, also P3 herrscht. Das Regelventil 6 wirkt damit als variable Drossel für die Kaskade 16 entsprechend der einstellbaren Drossel 8 für die Regelstufe 6. Am Auslaß 3 des Volumenstromreglers 1 herrscht dann im dargestellten Ausführungsbeispiel der gleich Druck P4, wie innerhalb des Ventilsitzes 22, soweit nicht zwischen Auslaß 3 und Ventilsitz 22 weitere einstellbare Drosseln oder weitere der Kaskaden 16 entsprechende Kaskaden angeordnet sind. Die einstellbare Drossel 8 kann bestehen aus einem festen Blendenteil, welches gegen einen verschiebbaren Blendenteil so verschoben werden kann, daß sie zusammen eine variable Blendenöffnung bilden, welche vorzugsweise scharfkantig ausgeführt ist. Besonders vorteilhaft sind im wesentlichen runde Begrenzungen der Blendenöffnung, welche vor allem bei kleinen Blendenöffnungen eine möglichst kreisförmige Öffnung bilden, d.h. eine grpße Fläche mit kleinem und rundem Begrenzungsumfang. Die resultierende kleinste Blendenöffnung kann z.B. halb kreisförmig und halb quadratisch werden. Durch die scharfkantige und möglichst kreisförmige Ausführung der Blendenöffnung wird eine Veränderung der Blendenöffnungsfläche infolge Verschmutzungsauftrag verhindert. Anstelle der verschiebbaren Drossel können aber auch auswechselbare kreisförmige Einsatzblenden vorgesehen werden. Dies ermöglicht es, mit nur einer Sorte Reglereinheiten und verschiedenen Einsatzblenden ein großes Sortiment von Volumenstromreglern mit verschiedenen Durchflußwerten am Lager zu halten.

Im folgenden wird auf die Figur 5 Bezug genommen. In der Figur 5 ist eine kompakte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Volumenstromregler 1 und integriertem bistabilem Auf-Zu-Venti!system im Längsschnitt dargestellt. Die gesamte Einheit ist in einem äußeren Gehäuse 31 untergebracht, das einen Anschlußstutzen 32 für den Einlaß 2 und einen Anschlußstutzen 33 für den Auslaß 3 aufweist. Die Ventilanordnungen 6, 16 des Volumenstromreglers 1 wie auch das Ventilsystem sind in der in der in das Gehäuse 31 eingesetzten Patrone 9 angeordnet.

Der Einlaß 2 führt hier zu einer Kammer 34. Dem Einlaß 2 gegenüberliegend ist die Membran 4 des Membranventils 6 angeordnet. Die Membran 4 ist mit ihrem Umfang in der Patrone 9 fest eingeklemmt, während ihr zentraler Teil als starrer Venti!deckel 11 ausgebibet ist. Auf der der Kammer 34 abgewandten Seite des Ventildeckels 11 ist der Ventilsitz 12 vorgesehen , der ebenfalls fest in der Patrone 9 angeordnet ist. Der Ventilsitz 12 ist kegelstumpfmantelförmig ausgebildet, wobei er sich zum Ventildeckel 11 hin verjüngt. Hierdurch kann an dem weitesten Teil des Ventilsitzes 12 die Feder 13 anliegen, ohne daß ihre Bewegung durch die Gefahr eines Berührens im Z wischenbereich am Ventilsitz gehindert werden könnte. Die Feder 13 drückt mit ihrer dem Ventilsitz 12 abgelegenen Seite gegen den Venti!deckel 11 und hält daher das Ventil im drucklosen Zustand offen. Die Kammer 34 ist über im einzelnen nicht dargestellte Durchbrüche mit einer seitlichen Karnmer 36 derart verbunden, daß in der Kammer 36 der gleiche Druck P1 wie in der Kammer 34 herrscht. Die Kammer 36 ist über die mittels eines Handgriffs 37 von außen einstellbare Drossel 8 fluidisch mit einer dem Ventilsitz 12 umgebenden R ing kammer 38 verbunden, in der ein gegenüber dem Druck P1 geringerer Druck P2 herrscht. Je nach Öffnungs-

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grad des Ventils 6 aufgrund der vorherrschenden Druckverhältnisse herrscht in dem durch den Ventilsitz 12 gegenüber der Ringkammer 38 abgegrenzten Innenraum 39 des Ventilsitzes 12 ein im allgemeinen gegenüber dem Druck P2 geringerer Druck P3. Direkt oberhalb des Membranventils 6 ist das weitere Membranventil 16 angeordnet, wobei aufgrund der Ausgestaltung der Ventile als Membranventile eine kompakte Anordnung mit geringer Bauhöhe erreicht wird. Das Membranventil 16 weist die Membran 14 auf, die ebenfalls an ihrem Außenrand mit der Patrone 9 fest verbundenen Teilen eingespannt ist und in ihrem Zentral bereich den Ventildeckel 21 aufweist. Die Membran 14 tennt eine Kammer 44 von einer Ringkammer 48, die einen ebenfalls zumindest über einen Teilbereich kegel stumpf form ig ausgebildeten Ventilsitz 22 umgibt, der einen Innenraum 49 umschließt. Der Außenbereich des Ventilsitzes 22 dient in entsprechender Weise als Wiederlager für die Feder 23, die mit ihrem anderen Ende an dem Ventildeckel 21 anliegt und diesen bei drucklosen Verhältnissen vom Ventilsitz 22 fortdrückt.

Die Kammer 44 ist über Durchlässe 51 mit der Ringkammer 38 verbunden, während der Innenraum 39 des Ventilsitzes 12 mit der Ringkammer 48 oberhalb der Membran 14 über Verbindungsbereiche 50 verbunden ist. Der durch den Ventilsitz 22 gegenüber der Ringkammer 48 abgegrenzte Innenraum 49, der einen gegenüber dem Druck P3 in der Ringkammer 48 geringeren Druck P4 aufweist, ist über das Auf-Zu-Ventilsystem 61 und über außerhalb der Patrone, insbesondere zwischen der Außenwand der Patrone und der Innenseite der Wand des Gehäuses 31 befindliche Zwischenräume mit dem Auslaß 3 des Gehäuses 31 verbunden. In dem erfindungsgemäßen Volumenstromregler ist hier noch der berührungslose oder Näherungsschalter 58 als Strömungsmelder integriert. Hierzu ist unterhalb des Ventildeckels der Reed-Schalter 56 angeordnet. Im Zentrum des Ventildeckels 11 ist der Dauermagnet 57 eingesetzt, der aufgrund der Veränderung seiner Nähe zum

Reed-Schalter 56 mit der Bewegung des Ventildeckels 11 den Reed-Schalter 56 schaltet.

Die gesamte Ventileinheit 61 ist ebenfalls in dem gemeinsamen Gehäuse 31 untergebracht. Der Einlaßraum 49 ist vom Ventilsitz 72 umgeben, der wiederum von einem Teil des Auslasses 53 in Form eines Ringkanals umgeben ist. Über dem Ventilsitz 72 ist die Membran 64 mit dem Ventildekkel 71 angeordnet. Sie wird von der Feder 73 gegen den Ventilsitz 72 gedrückt. Der Figur 5 ist insbesondere zu entnehmen, daß die Neben leitung 52 vom Einlaß 49 zur Kammer 55 eine im Ventildeckel 71 angeordnete Öffnung 65 aufweist, wobei der Öffnung 65 das Filter 66 vorgeschaltet ist. Von der Kammer 55 führt ein schmaler Durchlaß 76 zur Nebenleitung 54 der Figur 4, die bei der konkreten Ausführungsform der Figur 5 zunächst als weitere Kammer 54 und sodann vor dem Injektoranschluß 67 als Ringkammer ausgebildet ist.

Das Steuerteil 63 mit einem Steuerventil 77, zu dem der Durchlaß 76 gehört ist nun erfindungsgemäß folgendermaßen ausgestaltet. Das Steuerventil 63 weist zunächst eine Regeleinrichtung 78 auf, von der Steuerimpulse Y, die beispielsweise durch Temperaturänderung bzw. Überschreiten oder Unterschreiten gewisser Temperaturgrenzen oder andere Signale bedingt sind ein vorzugsweise bistabiles Magnetsystem 79 beaufschlagen. Von dem bistabilen Magnetsystem 79 wird ein Ventilkolben 81 über einen an ihm befestigten Anker 82 derart bewegt, daß der Durchlaß 76 entweder geschlossen oder geöffnet wird. Befindet sich der Stößel 81 in seiner unteren gestrichelten Stellung, so wird der Durchlaß 76 und damit das Steuerventil 77 geschlossen, befindet sich der Stößel 81 mit dem Anker 82 in seiner oberen Stellung, so ist der Durchlaß 76 und damit das Steuerventil 77 geöffnet. Damit das Magnetsystem möglichst wenig Energie und dies lediglich zum Schalten aufnehmen muß, nicht aber zum Halten des Stößelss 81 in den beiden Stellungen ist der Kolben oder Stößel

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81 hier mit einer Hilfsfeder 83 verbunden, die an ihrem demKolben 81 entgegengesetzten Ende auf einer Halterung 84 festgelegt ist. Die Hilfsfeder 83 hat die Aufgabe, das Steuerventil 77 im geschlossenen Zustand mit einer genügenden Kraft (von wenigen Gramm) auf den Ventilsitz zu drücken und damit dicht zu halten. Prinzipiell könnte diese Funktion aber auch ohne Hilfsfeder erfüllt werden, beispielsweise durch einen kleinen zweiten Permanentmagneten am Durchlaß 76, der einen ferromagnetisch ausgebildeten Stößel 81 auf den Ventilsi-tz zieht. Im Prinzip wird dann das Steuerventil 77 bzw. der Stößel 81 in seine beiden Endlagen (offen und geschlossen) je durch einen kleinen Permanentmagneten gehalten und durch die Magnetpulse beider Richtungen des elektromagnetischen Systems nach oben bzw. nach unten umgeschaltet. Die Hilfsfeder 83 könnte auch als Sch nappfeder ausgebildet sein mit zwei bistabilen Stellungen, die der Öffnungs- bzw. der Schließstellung des Steuerventils 77 entsprechen. Wenn das Steuerventil 77 in einer seiner beiden Stellungen, entweder also der Schließ- oder der Öffnungsstellung ist und in dieser Stellung durch die Schnappfeder 83 gehalten wird, muß das Magnetsystem 79 jeweils lediglich zum Umschalten die Haltekraft der Feder 83 überwinden. Tut das Magnetsystem das, so schnappt die Feder 83 in ihre andere bistabile Stellung um und bringt das Steuerventil 77 in seine andere Stellung, also von der Öffnungs- in die Schließstellung oder aber von der Schließ- in die Öffnungsstellung.

Dadurch, daß die Haltefunktion des Ventils 77 in beiden Stellungen entweder durch Hilfsfedern, Schnappfedern oder Permanentmagnete gewährleistet ist, benötigt das Magnetsystem 79 lediglich Energie zum Um-

schal ten, nicht aber zum Halten des Steuerventils 77 in einer oder beiden Stellungen. Der gesamte Energieverbrauch ist dabei so gering, daß ein derartiges bistabil es Heizungsventil mit zwei billigen kleinen Hilfsbatterien der Größe LR6 über ein Jahr betrieben werden kann.

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Das Schalten des gesamten Ventilsystems 61 erfolgt h der unter Bezugnahme auf die Figur 4 beschriebenen Weise, so daß hierauf nicht weiter eingegangen werden muß.

Eine Ausführungsform eines bistabilen Magnetsystems 79 ist in der Figur dargestellt. Das Magnetsystem 79 weist einen magnetischen Kreis mit einem U-förmigen Joch 86 und den beweglichen Anker 82 auf, der mit dem Stößel 81 (Fig. 5) verbunden ist. Der Steg 87 des Joch 86 ist in üblicher Weise von der Erregerspule 88 umgeben. Während insbesondere das Joch aus weichmagnetischem Werkstoff besteht, ist zwischen den Schenkeln des weichmagnetischen Jochs 86 ein Permanentmagnet 91 eingesetzt. Die magnetischen Feld- und Kraftverhältnisse sind dabei derart getroffen, daß der Permanentmagnet 91 über die beiden Schenkel 89 des Jochs 86 und nicht eingeschalteter Erregerspule 88 den Anker 82 in der in Fig. 6 durchgehend gezeichneten angezogenen Stellung sicher halten, jedoch nicht mehr aus der dort gestrichelt gezeichneten Stellung anziehen.

Wird nun ein dem durch den Permanentmagneten über den Anker gebildeten magnetischen Kreis entgegenwirkendes Magnetfeld durch Einschalten der Erregerspule 88 eingeschaltet, das als Verdrängerfeld gegenüber dem Feld des Permanentmagneten wirkt, so fällt der Anker zumindest vom Joch 89 ab, wobei bei einer Ausgestaltung mit Hilfsfeder das Verdrängerfeld das Permanentmagnet-Feld soweit überwinden kann, daß die Hilfsfeder 83 in ihre der Schließstellung des Ventils 77 entsprechende Stellung gedrückt wird. Prinzipiell reicht es aber aus, daß auf den Anker 82 beispielsweise neben den verschieden erwähnten Magnetfeldern lediglich noch die Gewichtskraft wirkt.

Wird ein das Permanentmagnet-Feld verstärkendes Feld durch Einschalten der Erregerspule 88 eingeschaltet, so wird der Anker aus der strichpunktiert

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dargestellten Schließstellung in die durchgezeichnet dargestellte Öffnungsstellung (Fig. 6) gezogen und dabei ggfls. die Kraft einer Schnappoder herkömmlichen Feder und/oder die Gewichtskraft überwunden und der Anker auf jeden Fall bei ausgeschalteter Erregerspule 88 in seiner oberen, in Fig. 6 durchgezeichnet dargestellten Stellung gehalten. Zur magnetischen Feldverstärkung weisen die Schenkel 89 eine Querschnittsverengung 90 auf.

Es sei hier festgehalten, daß das bistabile Steuerteil beispielsweise auch aufweisen kann magnetische und mechanische bistabile Teile oder aber ein mechanisches bistabiles Element (Schnappfeder) mit einem herkömmlichen Magnetsystem oder ein bistabiles Magnetsystem mit einsinnig wirkenden mechanischen Kräften (übliche Feder, Gewichts kraft) , wobei allerdings die erwähnten Ausgestaltungen bevorzugt sind.

Durch das dargestellte bistabile Steuerteil 63 kann die erläuterte Funktionsweise des Ventil systems 61 durchgeführt werden, indem lediglich zum Schalten geringe Schaltenergien erforderlich sind, die bei den Schaltzuständen aber ohne Energieverbrauch aufrecht erhalten werden.

Das bistabile Ventil system kann durch verschiedene Steuerimpulse betätigt werden. Es kann neben dem beschriebenen elektrischen Ein-Aus-Signal auch durch eine mechanische Größe, z.B. die Verschiebung eines Thermostatpatronenelements mechanisch geschaltet werden. In diesem Fall kann an Stelle des Magnetsystems 79 eine Schnappfedereinrichtung 92, wie in Figur 7 dargestellt, eingesetzt werden. Eine bistabile Schnappfeder 93, wie sie z.B. in Honeywell Microschaltern eingesetzt wird, ist hier in einer Einspannung 94 gehalten. Die Bewegung der Schnappfeder wird nach oben begrenzt durch einen Anschlag 95 und nach unten durch den Steuerventil sitz 80 am Durchlaß 76, auf welchen der am Ende der Schnappfeder angebrachte Stößel 81 bei geschlossenem Ventil aufliegt. Die Schnapp-

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feder 93 wird betätigt durch ein Übertragungselement 96 auf welches der Dehnungsstift einer Thermostatpatrone 97 wirkt. Bei Temperaturanstieg dehnt sich diese Thermostatpatrone 97 aus und drückt auf die Schnappfeder, bis diese injihre Schließlage springt, d.h. sie schlägt den Stößel 81 nach unten auf den Sitz 80. Bei Abkühlung der Thermostatpatrone zieht sich deren Dehnungsstift nachoben zurück und die entlastete Schnappfeder springt in ihre Öffnungslage zurück an den oberen Anschlag 95. Vorzugsweise wird dabei am Stößel ein Spiel 98 vorgesehen, von z.B. 0.3 mm, so daß die Schnappfeder bei Springen in die andere Lage infolge dieses Spiels zuerst eine gewisse Anfangsenergie erreicht , bevor sie den Stößel mitziehen muß. Dies ermöglicht eine Betätigung der Schnappfedereinrichtung 92 mit minimaler Energie.

Bei Anwendungen als Thermostatventil in Heizungen mit einer am Ventilsystem 61 angebrachten Thermostatpatrone als Regeleinrichtung 78 können Temperaturunterschiede am Ventil selber zwischen offenem Zustand (mit Heizwasser von z.B. 90 C) und geschlossenem Zustand (wenn sch das Heizwasser wieder auf Zimmertemperatur abkühlt) zu unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen im Steuerventil 77 führen, so daß bei gleicher Einstellung der Regeleinrichtung 78 bzw. der Sollwerteinstellung an der Thermostatpatrone im offenen warmen Zustand ein anderer Schaltpunkt an der Schnappfeder 93, d.h. eine andere Schalttemperatur, resultiert als bei geschlossenem kalten Ventil. Dieser Schaltpunktunterschied kann z.B. 0.5 - 1°C betragen. Durch E inführung eines Wärmedehnung-Kompensationselementes zwischen Patrone 97 und Steuerteil 63 bzw. Schnappfeder 93 kann dieser Schaltunterschied variiert werden, z.B. durch entsprechende

Ausgestaltung des Übertragungselementes 96. Dieser Schaltunterschied kann möglichst klein gemacht werden, er kann aber auch eine gewünschte Größe annehmen, so daß z.B. in kaltem Zustand 0.5 früher eingeschaltet wird, als in warmen Zustand des VenSls. Dazu wird das Wärmedehnungs-Kompensationselement bezüglich seiner Dimension und Ausdehnungskoeffizient so gewählt,

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daß die Differenz zwischen seiner thermischen Ausdehnung und derjenigen der umgebenden Halterung und damit auch der Schaltpunktunterschied zwischen warmen und kaltem Ventil eine gewünschte Größe annimmt. Es kann beispielsweise das Wärmedehnungs-Kompensationselement als Übertragungselement 96 aus Polypropylen gefertigt werden. Dieser Stfhaltpunkt unterschied kann aber auch noch zusätzlich beeinflußt bzw. wunschgemäß eingestellt werden, indem der Wärmeübergang vom Ventil auf die Thermostatpatrone durch eine entsprechend dosierte Isolierung zwischen Ventil und Fatrone beeinflußt wird, z.B. durch Isoliermaterial und Lüftungsschlitze.

Im folgenden werden ergänzende Richtlinien zur vorzugsweisen Ausgestaltung des Auf-Zu-Ventilsystems 61 gegeben.

Die Blendenöffnung 65, auch Bohrung genannt, soll möglichst klein gewählt werden, z.B. mit einem Durchmesser von 0.5mm, vorzugsweise zwischen 0.3 und 0.6mm, so daß nur sehr geringe Flüssigkeitsmengen durchströmen können. Die Öffnung 65 darf aber keinesfalls infolge von Schmutzablagerungen vollständig verstopft werden. Dazu wird sie einmal kreisförmig und mit scharfen messerartigen Blendenkanten ausgebildet, wo sich keine Ablagerungen bilden können. Zudem wird der Öffnung 65 noch ein feines Filter 66 vorgeschaltet. Dieses Filter 66 weist im Verhältnis zur geringen durchfließenden Flüssigkeitsmenge eine große Oberfläche auf, so daß es auch nach sehr langer Zeit nicht infolge Verschmutzung vollständig verstopft werden kann. Vorteilhafterweise kann das Filter in zwei Zonen aufgeteilt werden, wobei eine Zone beströmt, die andere nicht beströmt ist. In der beströmten Zone kann eine gewisse Selbstreinigung durch die Strömung erzielt werden, während in der nicht beströmten Zone infolge fast verschwindender Strömungsgeschwindigkeit entsprechend wenig Verschmutzung an das Filter getragen wird. Die nicht beströmte Zone des Filters ist vorzugsweise oben angeordnet, so daß schwere Schmutzteilchen gar nicht mehr mitgezogen werden können. Je nach Art der Verschmutzung kann sich dann die eine oder die andere der beiden Zonen als weniger verschmutzungsanfällig herausstellen. Beide Zonen sind jedoch je so groß, daß sie alleine einen langjährigen genügenden Durchfluß für die kleine

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Düse 65 sicherstellen. Für das Filter 66 kann auch eine Filteranordnung mit vielen Falten zur Erhöhung der Fiteroberfläche auf kleinem Volumen gewählt werden. Dss Filter besteht aus nicht-ferromagnetischem Material, z.B. aus« Kunststoff gewebe oder Bronce. Es kann dabei ein sehr dünnes Sinterfilter sein oder ein Filtergewebe. Die Porengröße des Filters wird vorzugsweise 5 - 10mal kleiner gewählt als die Filteröffnung.

Die Dimension des Durchlasses 76 am Steuerventil 77 muß deutlich größer gewählt werden, als die Öffnung 65, der Durchmesser des Durchlasses 76 liegt vorzugsweise zwischen 1 und 2mm, z.B. ein Flächenverhältnis von Durchlass 76 zu Blendenöffnung 65 von 5 bis 10 entsteht.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß bei Beibehaltung einer kompakten Ausgestaltung die Hintereinanderanordnung von Auf-Zu-Ventilsystem und Volumenstromregler 1 beliebig vertauscht werden kann. Ebenfalls kann der Strömungssensor 54 inweitgehend beliebiger Weise angeordnet werden.

Die Regelung des Durchflusses des Fluids zum und durch den Heizkörper 107 und die Konstanthaltung der Durchflußmenge bei offenem Auf-ZuVentil system 61 geschieht nun folgendermaßen:

Über die Einstelleinrichtung 113 wird ein Sol I-Temperaturwert für den Raum, in dem sich der Heizkörper 107 befindet eingestellt bzw. ein Programm für die SolI-Temperatur vorgewählt. Im Regler 78 wird dann der Ist-Wert der Raumtemperatur über den Raumtemperaturfühler 114 gemessen und mit dem Sollwert verglichen. Verändert sich der Ist-Wert über den momentanen Soll- Wert hin, so gibt der Regler an das Ventilsystem 61 einen Schaltimpuls und zwar einen Öffnungsimpuls, wenn der Ist-Wert unter den Soll-Wert absinkt und einen Schließimpuls, wenn der Ist- Wert über den SolI-Wert ansteigt.

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Ist nun das Hauptventil 62 des Ventil systems 61 durch einen Stell impuls vom Regler 78 in einer vorstehend unter Bezugnahme auf die Figur 4 beschriebenen Weise geöffnet und damit der Weg vom Raum 49 zum Ringkanal 53 (Fig. 5) freigegeben, so funktioniert der Volumenstromregler 1 in der folgenden Weise:

Wenn die Kammer 34 drucklos ist, weil keine Flüssigkeit über den Einlaß zugeführt wird, befindet sich das Membranventil 6 in seiner vollen Öffnungsstellung, da die Membran 4 unter ausschließlicher Einwirkung der Feder vom Ventilsitz 12 fortgedrückt wird. Im Betriebszustand baut sich vor dem Volumenstromregler ein Systemdruck P1 auf. Nachdem Volumenstromregler liegt ein Druck P4 vor, der durch den Arbeitswiderstand am Verbraucher bestimmt ist. Durch wechselnden Arbeitswiderstand und wechselnden Systemdruck kann sich das Druckgefälle zwischen P1 und P4 ändern. Voraussetzung für den konstanten Durchfluß ist dabei ein konstantes Druckgefälle an der einstellbaren Referenzdrossel 8, wobei zur Erreichung des angestrebten Nenndurchflusses ein Mindestwirkdruck oder Druck schwelIwert erforderlich ist. Ist der Wirkdruck aber größer, so muß der überschüssige Druck durch Drosselung in der Regelstufe 6 und der Kaskade vernichtet werden, damit der Durchfluß innerhalb eines geringen Toleranzoder Fehlerbereichs konstant bleibt.

Ist keine Strömung am Ventil vorhanden, wirkt also auf die Membran 4 kein Druck , so sind die regelbaren Drosselstellen 6, 16 offen. Die Membrane 4, 14 werden durch die Federn 13, 23 vom entsprechenden Ventilsitz 12,22 fortgedrückt. Beim Einsetzen einer Strömung und erhöhtem Systemdruck P1 am Einlaß 2 wird zunächst die Membran 4 weiter gegen den Ventilsitz gedrückt. Gleichzeitig fließt Flüssigkeit über die einstellbare Referenzdrossel 8 in den Ringraum 38, wo sich ein Druck P2 einstellt und von diesem Raum in den Innenraum 39 innerhalb des Ventilsitzes 12 über die Ventilöffnungen zwischen dem Ventildeckel 11 und Ventilsitz 12, wo sich dann zunächst ein Druck P3 einstellt. Die durch die Drücke P2 und P3 auf die Membran 4 einwirkenden Kräfte wirken der durch den Druck P1 bedingten Kraft entgegen, bis sich die als Druckwaage wirkende Membran 4 so einstellt,d£

die Änderungen des Druckgefälles P2 - P3 der Änderung von P1 - P3 entspricht und damit das Druckgefälle P1 - P2 an der Einstelldrossel annähernd konstant bleibt. Der Differenzdruck P2 - P3 bestimmt aber einen Störfaktor, so daß die genannte Druckdifferenz, wenn sie einen die Durchflußtoleranzen überschreitenden Wert erreicht, weiter reduziert werden muß. Hierzu dient das weitere Membranventil oder die Kaskade Bei dieser ist der Referenzdruck variabel, weil sie von der vorangehenden Regelstufe 6 den Differenzdruck P2 - P 3 als Steuerbasis hat. Die sich über das Ventil 16 einstellende Druckdifferenz P3 - P4 ist dann geringer, so daß eine ausreichende Durchflußkonstanz erreicht werden kann. Im allgemeinen reicht eine Kaskade. In Sonderfällen können auch weitere Kaskaden hinter der Kaskade 16 angeordnet werden.

Erfindungsgemäß wird durch die zwei- oder mehrstufige Anordnung von Membranventilen ein sehr genauer, langzeitstabiler, verschmutzungsunempfindlicher und kompakter Volumenstromregler geschaffen, der in einem weiten Wirkdruckbereich arbeiten kann. Durch die einstellbare Drossel 8, 37 ist die SolIdurchflußmenge wählbar.

Zur Abhaltung allfälliger gröberer Verunreinigungen in Heizwasser kann am Einlaß ein auswechselbares Filter ,z.B. ein Broncegitter von 0.2mm Maschenweite angebracht werden. Feine Verunreinigungen beeinträchtigen die Funktion des Volumenstromreglers nicht.

Die Membranen 4, 14 sind vorzugsweise im wesentlichen flach ausgebildet, d.h. sie weisen eine relativ kleine Walkzone M und eine dazwischen liegende relativ große Stützfläche (mit Ventildeckel) auf. Überdies sollen die Membranen eine sehr geringe Eigensteif igkeit von vorzugsweise weniger als drei Gramm/cm Membranfläche und einen großen Hubbereich aufweisen. Dazu eignen sich vor allem RoI!membranen, Sickenmembranen oder gestauchte Flachmembranen. Als Material geeignet sind beispielsweise EPDM und Viton mit Härten von 55 - 70° Shore und Dicken von beispielsweise

0.2 - 0.4mm. Falls mit hohen Überdrucken gerechnet werden muß, können allfällig davon betroffene Membranen auch mit einer Gewebeeinlage verstärkt werden.

Die besteg Resultate werden mit möglichst großen Membranflächen erreicht, deshalb soll der Membrandurchmesser vorzugsweise mindestens 70% des Patronendurchmessers ,bzw. des Innendurchmessers von Gehäuse 31 betragen. Die Öffnungen der Ventilsitze 12, 22 sollen einerseits zur Erreichung einer hohen Regelgenauigkeit relativ klein sein und andererseits soll aber der Strömungswiderstand am Ventil auch nicht zu groß werden. Gute Resultate können deshalb erreicht werden, wenn der Ventildurchmesser zwischen 35 und 45% des Membrandurchmessers beträgt.

Um die erwünschten hohen Durchflußmengen und geringen Schwellwerte des Wirkdrucks zu erreichen, sollen weiter die Strömungwiderstände klein gehalten werden. Dazu werden bei gegebenen Gehäusedurchmesser die Dimensionen von Membran und Zu- und Abflußkanälen groß gehalten und die Wandstärken inklusive der Wandstärke W für den Einspannbereich der Membranen klein gehalten. Dazu kann die Membran statt wie in Figur 5 gezeigt mit einem Wulst auch in einer dünnen Wand W direkt eingeklemmt , eingeklebt oder aufvulkanisiert werden. Auf dem ganzen Strömingsweg durch den Volumenstromregler sollen mit Ausnahne der notwendigen scharfen Blenden die Begrenzungen ohne Kanten und Ecken, möglichst glatt, rund und kontinuierlich ausgeführt werden. Anstelle der konzentrischen Zuführ- und Abführkanäle 50 und 53 mit den Durchmessern V und R kann auch eine radiale Unterteilung vorgesehen werden, so daß also die Kanäle 50 und 53 im Schnitt von Figur 5 nicht nebeneinander , sondern hintereinander angeordnet wären. Die Form des äußeren Gehäuses 31 kann aber auch quadratisch ausgeführt werden, wobei dann in den Ecken , welche nicht von den kreisförmigen Membranen bedeckt werden, Platz vorhanden ist für die Kanäle und 53. Mit Ausführungen des Volumenstromreglers gemäß den erläuterten

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konstruktiven Richtlinien können folgende sehr gute Resultate z.B. für ein 3/8 Zoll- Ventil und Normanschlüssen erreicht werden:

Schwellwerte des Wirkdrucks von weniger als 0.1 bar Volumenströme von mindestens 200 l/h und Genauigkeiten von 2% über einen sehr weiten Wirkdruckbereich bis zu Drücken von über 1 bar.

Je nach gewünschter Anwendung kann dieKonstruktion gemäß der angegebenen Richtlinien optimiert werden.

Bei der Materialwahl ist überdies darauf zu achten, daß die verschiedenen Elemente elektrochemisch und chemisch res istent sind, d .h. daß sie im Fluidstrom und im Bezug auf die umgebenden Gehäuse und Leitungen chemisch nicht reagieren. Daß z.B. in einem Messinggehäuse die Ventilfedern 13 und 23 aus Federbronce bestehen oder aus säurefestem Stahl

Anstelle der Ringfedern von Figur 5 können auch andere Federn wie Blattfedern oder Drehfedern eingesetzt werden. Vorteilhaft sind vor allem auch die kompakten Tellerfedern, welche eine geringe Bauhöhe des Gehäuses und kurze Verbindungskanäle ermöglichen. Es kann die Feder aber im Prinzip auch in die Membran integriert werden.

Abhängig davon, ob der Strömungsmelder 58 ein Strömen feststellt oder nicht, wird die Temperaturdifferenz der Thermofühler 109, 118 gemessen und den in der Elektronikeinheit 117 mit der codierten Einstellung der Durchflußmenge über die Drossel 8 multipliziert und über die Zeit der Öffnungsstelle des Ventil sy sterne 61 integriert bzw. auf summiert, daß der summierte Energieverbrauch relativ oder in absoluten Werten über die Anzeige 12 angezeigt werden kann (Figur 3). Die elektronische Verarbeitung geschieht beispielsweise unter Verwendung von seriegeschalteten Stromsensoren (wie LM 234) , welche dann ein ofer Temperaturdifferenz proportionales Stromsignal abgeben, welches über einen Kondensator in Pulse gewandelt bzw. über A/D-

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Wandler weiter verarbeitet und aufsummiert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt auf einfache Weise das Produkt zweier physikalischer Größen zu bilden und über de Zeit aufzuintegrierJn und damit eine Verbrauchseinheit anzugeben, die entweder als Vergleichswert oder als geeichte physikalische Einheit angegeben wird. Die eine physikalische Größe entspricht dabei dem Massenfluß, die durch den Volumenstromregler 1 konstant gehalten wird, wobei die Durchflußmenge zur Elektronikeinheit 117 übertragen wird und nach Einstellung als konstante Volumenstromgröße in die Messung eingeht. Der zweite Wert ist eine Prozeßabhängige Größe, beispielsweise eine Temperaturdifferenz durch die mittels der Thermo-Fühler 109, 118 gemessene unterschiedliche Temperaturen, eine Konzentration od.dgl. Beide Größen ergeben die Verbrauchergröße, beispielsweise die vom Heizkörper 107 abgegebene Wärme bzw. Energiemenge als eine physikalische Einheit . Da das Stellgied im Steuerteil 63 des Ventilsystems 61 lediglich eine geringe Energieaufnahme hat, kann die Regelung durch kleine, billige Hilfsbatterien jahrelang aufrecht erhalten werden. Wenn die vorstehend erfindungsgemäße Vorrichtung im Hinblick auf die Heizkostenabrechnung bzw. - verteilung beschrieben wurde, so kann bei einer entsprechenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung diese auch zum Dosieren, geeichten Energiemessungen, Vergleichseinheitsmessungen, als Steuerstellglied allgemein in der Heizungstechnik etc. eingesetzt werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in geeigneten Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

- L e e r s e i t ο

Claims

;_ PATENTANSPRÜCHE

.y Vorrichtung zum gemeinsamen Steuern eines Fluidstromes und Messen eines dem Fluidstrom und einer zweiten physikalischen Größe proportionalen Wertes, insbesondere zum Messen von Energie - und Wärmemengen, wie bei einem Heizkörper einer Heizanlage zur thermostatischen Regelung und zur Wärmeverbrauchsmessung mit einem Volumenstromregler und einem von einer externen physikalischen Größe gesteuerten Ventileinheit zum Sperren und Durchlassen des Fluidstromes sowie einer Elekronikeinheit, insbesondere zur Durchführung und zum Auswerten von Energiemengenmessungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstromregler als mehrstufiger Membranregler mit mindestens einer Regel- und einer Kompensationsstufe (6, 16) , welche je eine Membran (4, 14) aufweisen, ausgebildet ist, wobei der Volumenstromregler (1) und die Ventileinheit (61) hintereinander an einem gemeinsamen Durchflußgehäuse (31,102) für den Fluidstrom angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungsmelder (58) zur Abgabe eines den Strömungszustand anzeigenden Signals an die Elektronikeinheit (117) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Volumenstromregler (1,6, 16) durchgelassene Durchflußmenge mittels einer Drossel (8) einstellbar ist, wobei die eingestellte Durchflußmenge des Fluids in der Elektronikeinheit (117) ggfls. zwangsweise und in codierter Form bei der Durchführung der Energiemessung berücksichfgt wird.
4. Vorrichtung nach einem der. Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Fluidstromes und damit einer durch diesen mit geführten Energie- bzw. Wärmemenge zur zumindest teilweisen Abgabe derselben in einem Heizkörper od. dgl. bei fest eingestellter, durch den Volumenstromregler (1 , 6, 16) bestimmter Durchflußmenge in geöffnetem Zustand der Ventileinheit (61) über einen mit einer Regeleinrichtung (78) der Elektronikeinheit (117) verbundenen einstellbaren Thermostaten (113, 114) durch Öffnen und Schließen der Ventileinheit (61) erfolgt.
5. Vorrichtung nach Anspruph 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Führungsgröße oder der Sollwert des Thermostaten (113, 114) über d ie Zeit hin gemäß vorgegebener Werte automatisch veränderbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Energieversorgung Solarzellen oder Halbleiterthermoelemente (Peltier-Elemente) zur Umwandlung der im Fluidstrom gespeicherten Energie in elektrische Energie vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Thermofühler (109, 118) jeweils im Vorbzw. Rücklauf vom Heizkörper (107) angeordnet und auf ein über die Zeit integrierendes Netzwerk des Elektronikteils (117) geschaltet sind, wobei diese Thermofühler beispielsweise als in Serie geschaltete Stromsensoren ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Steuerteils (63) der Ventileinheit (61) ein Zeit-, ein PH- , ein Konzentrations-, ein Niveaumesser oder eine vorprogrammierte Steuerablaufsfolge dient.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Druckunterscheid beiderseits der Membran (4) des Membranventils (6) bedingende Drossel (8) einstellbar und als scharfe Blende mit im wesentlichen runder Begrenzung ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz zumindest an einem der Membranventile (16) durch das in Reihe vor diesem angeordneten Membranregel ventil (6) , welches als Drossel wirkt, gebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmelder (58) als einem Membranventil (6, 16, 62) zugeordneter berührungsloser Schalter ausgebildet ist, beispielsweise aus einem Reed-Kontakt (56) am Gehäuse und einem Permanentmagneten (57) an einem Ventildeckel der Membranventile bestehend.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (61) je ein Steuerteil (63) und ein Hauptventil (62) aufweisen, wobei das Steuertet! ein bistabiles Stellglied (79, 81,82,83,92) aufweist, welches in seinen Endlagen keine Energie'und zum Umschalten nur eine minimale Energie benötigt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Stellglied ein mechanisches bistabiles Element aufweist, z.B. eine Schnappfedereinrichtung (92).
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein bistabiles elektromagnetisches Element aufweist, beispielsweise mit einem umschaltbaren Elektromagneten (79) und einem Permanentmagneten (91).
15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ventile (6, 16) des Volumenstromreglers und ein Hauptventil (62) der Ventileinheit (61) als Membranventile mit je einer Membran geringer Steifigkeit ausgebildet sind, wobei die Membranfläche den Querschnitt des Gehäuses (31) zum größten Teil überdeckt.
16. Vonrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptventil (62) eine blendenartige Öffnung (65) zur Gewährleistung einer Nebenleitung (52, 54, 55) für den Z weig des Steuerteils (63) ausgebildet ist; wobei dieser Öffnung (65) ein Filter (66) vorgeschaltet ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerteil (63) ein Wärmedehnungskompensationselement (96) aufweist.